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Als Nitrifikation bezeichnet man die biologische Umwandlung von Ammonium- und Nitritoxidation zu Nitrat.
Ammonium-Ionen werden im natürlichen Stoffkreislauf durch Nitrosomabakterien in Nitrit-Ionen umgewandelt. Die Oxidation von Nitrit-Ionen zu Nitrat-Ionen erfolgt durch Nitrobacter. Auf diese Weise wird der Boden mit Nitrat angereichert und dieses steht den Pflanzen als Mineralsalzion für den Stoffwechsel zur Verfügung. Die beiden Bakteriengruppen nutzen diese Vorgänge für die Energiegewinnung. Enzyme einer verkürzten Atmungskette stellen aus dem Energiegewinn ATP her.
Auch die Denitrifikation dient einigen anaeroben Bakterien zur Energiegewinnung (Nitratatmung), indem sie Nitrat-Ionen zu Stickstoff umwandeln. Indem sie Nitrat in Luftstickstoff umwandeln, schließen sie den Stickstoffkreislauf in der Natur.

Der Stickstoffkreislauf ist einer der großen Stoffkreisläufe in der belebten Natur. Wichtige Stickstoffverbindungen für die Organismen sind Ammonium bzw. Ammoniak. Diese Verbindungen können von vielen Bakterien und grünen Pflanzen als Stickstoffquelle genutzt werden, um Proteine, Nucleinsäuren und andere stickstoffhaltige Substanzen aufzubauen. Damit stellen diese die Stickstoffquelle für tierische Organismen dar, denn Tiere können nur organisch gebundenen Stickstoff verwerten.
Obwohl die Atmosphäre zu ca. 80 % aus Stickstoff besteht, können ihn die meisten Pflanzen in der dort vorliegenden Form nicht aufnehmen. Stickstoff-fixierende Bakterien können aus diesem freien Stickstoff Ammonium-Ionen herstellen. Durch Nitrifikation mit Hilfe anderer Bakteriengruppen entstehen so die für Pflanzen lebenswichtigen Nitrat-Ionen und können von ihnen in Proteine und andere stickstoffhaltige organische Verbindungen umgewandelt werden. Laubfall, Ausscheidungsprodukte von Tieren und abgestorbene Lebewesen bringen die organischen Stoffe wieder in den Boden wo sie mineralisiert werden. Der Kreislauf ist geschlossen, wenn durch Denitrifikation wieder Luftstickstoff entsteht.

Natürliche Kreisläufe sind Stoffkreisläufe, die durch Energieumwandlungen aufrechterhalten werden. Die Stoffe in den Kreisläufen unterliegen in unterschiedlichem Maße verschiedenen physikalischen, chemischen oder biogeochemischen Zustandsveränderungen. In den Kreisläufen der Stoffe werden entweder nur der Weg eines chemischen Elements und seiner anorganischen und organischen Verbindungen, oder aber der Weg einer einzigen Verbindung eines Elements betrachtet.